Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса и задачи исследований 8
1.1. Влияние повышенных и отрицательных температур на физико-механические свойства бетона и арматуры „ 8
1.2. Анализ экспериментальных исследований влияния температуры на прочность и трещиностойкость железобетонных элементов кольцевого сечения 18
1.3. Анализ методов расчета железобетонных элементов кольцевого сечения 23
1.4. Выводы „ 37
1.5. Задачи исследований 40
2. Методика проведения экспериментальных исследований 42
2.1. Материалы для изготовления и конструкция опытных образцов. 42
2.2. Методика испытаний внецентренно-сжатых железобетонных элементов кольцевого сечения при температуре от - 50С до + 150С 47
2.3. Методика испытаний влияния повышенных температур и уровня обжатия на физико-механические свойства бетона 62
2.4. Выводы. 71
3. Исследование влияния повышенных температур и уровня обжшя на фшию44еханические свойства бетона.. 73
3.1. Призменная прочность бетона. 73
3.2. Модуль упругости, коэффициент упругости, предельная сжимаемость и диаграмма (э - д, бетона 76
3.3. Структурные характеристики бетона 83
3.4. Ползучесть бетона 85
3.5. Выводы... 89
4. Результаты экшеримшташо-тюретиче(жих исследований - з внецентренно - (жатых элементов кольцевого сечения при температурах от - 50 до + 150С 91
4.1.Напряжения в арматуре и бетоне от температуры и предельной силы 91
4.2.Образование трещин во внецентренно-сжатых элемента кольцевого сечения 96
4.3. Ширина раскрытия трещин во внецентренно-сжатых элементах кольцевого сечения 102
4.4.Деформации внецентренно-сжатых элементов кольцевого сечения 115
4.5.Прочность внецентренно-сжатых элементов кольцевого сечения... 131
4.6.Выводы 154
4.7.Предложения по расчету внецентренно-сжатых элементов кольцевого сечения при температурах от - 50С до + 150С 157
4.8.Экономическая эффективность результатов исследования 161
Основные выводы 163
Список литературы
- Анализ экспериментальных исследований влияния температуры на прочность и трещиностойкость железобетонных элементов кольцевого сечения
- Методика испытаний внецентренно-сжатых железобетонных элементов кольцевого сечения при температуре от - 50С до + 150С
- Модуль упругости, коэффициент упругости, предельная сжимаемость и диаграмма (э - д, бетона
- Ширина раскрытия трещин во внецентренно-сжатых элементах кольцевого сечения
Анализ экспериментальных исследований влияния температуры на прочность и трещиностойкость железобетонных элементов кольцевого сечения
В работе /97/ исследовалось влияние попеременного замораживания и оттаивания на физико-механические свойства нагруженного бетона, что наиболее полно соответствует работе бетона в конструкциях. Исследованию подвергался бетон с маркой по мэрозостой-кости Мрз500, рекомендованный для строительства дымовах труб.
диаграмма С - $ бетона,подверженного циклическому замораживанию и оттаиванию» отличается от диаграммы образцов, испытанных при нормальной температуре (рис. I.I). На ее характер повлияло количество циклов замораживания-оттаивания и уровень предварительного нагружения бетона.
Все образцы, подверженные действию отрицательной температуры, имели более низкий модуль упругих деформаций и меньшую величину предельной сжимаемости бетона В0 .У образпрв, подверженных циклическому замораживанию-оттаиванию под нагрузкой, величина 0 была меньше по сравнению с предварительно не - 10 (МПа) ЗО 3_ у 2. ± циклов замораживания-оттаивания при температуре -50С на диаграмму 6.-б бетона I - образцы, испытанные при 20С и бг = 0; 2 - образцы, предварительно нагруженные до 6g = 0,6 Нпр. и испытанные после I цикла замораживания до -50С и оттаивания до нормальной температуры; 3 - то же, после 30 циклов. нагруженными образцами, а диаграмма о- & имела участок с выпуклостью к оси деформаций.
Влияние повышенных температур на прочность и деформации тяжелого бетона при осевом сжатии и растяжении исследовалось в работах советских и зарубежных исследователей /3, 47, 49, 63, 65, 77, 108, 109/.
Опытами установлено, что прочность и модуль упругости тяжелого бетона при сжатии существенно зависят от температуры нагрева. Наибольшее снижение прочности отмечалось при первом ікратковре-менном нагреве. В этом случае прочность имеет наименьшее значение при температуре 90-120С и составляет 70-8056 от ізрочности при нормальной температуре. Длительный изотермический нагрев приводит к росту прочности по сравнению с кратко временным нагревом. При этом наименьшее значение прочности отмечалось при температуре 60-70С. Остывание бетона до нормальной температур не вызывает дальнейшего изменения прочности.
Прочность бетона при растяжении также зависит от температуры и длительности нагрева. С ростом температуры прочность бетона на растяжение снижается и при 200С составляет около I50JS от прочности бетона при нормальной температуре.
Модуль упругости бетона при повышенных температурах зависит в основном от температуры нагрева. При первой кратковременном нагреве отмечается резкое уменьшение величины модуля упругости. Длительный нагрев к дальнейшему изменению модуля упругости не приводит.
Величина предельной сжимаемости бетона увеличивается с ростом температуры /65, 77/. Однако данные о ее количественном изменении отсутствуют, так как при испытании бетонных призм на сжатие приборы обычно снимались га 2-3 этапа до разрушения.
Данные по влиянию предварительного обжатия бетона на его прочность и модуль упругости при сжатии немногочисленны. В нагруженном перед нагревом бетоне до напряжений (0,2-0,5) R , прочность и модуль упругости при сжатии оказались выше, чем у нена-груженного /109/.
Влияние предварительного сжатия перед нагревом бэтона на прочность при растяжении изучалось на призмах, изготовленных из тяжелого бетона М 400 /75/ (рис. 1.2). Приведенные огогтные данные хорошо согласуются с исследованиями /55/, выполненным при нормальной температуре, и могут быть использованы при анализе работы железобетонных элементов.
Исследования температурно-усадочных деформаций показали, что величина деформаций усадки бетона при повышенных температурах зависит в основном от количества влаги, удаленной из бетона, и от температуры испытания /I, 3, 44, 46, 59/. Величина тешературной деформации зависит от вида заполнителя, влажности бетона к моменту нагрева и от температуры нагрева. Столь большое ко.шчество факторов привело к необходимости разработать методику для приближенной оценки величины температурно-усадочных деформаций.
В работе А.П. Кричевского /49/ предложена методи:ха, где функция изменения влажности бетона заменена функцией зремени действия температуры. Температурно-усадочные деформации бетона предложено разделить на три вида деформаций - деформации усадки, обратимые температурные деформации и необратимые температурные деформации и определять по формуле
Методика испытаний внецентренно-сжатых железобетонных элементов кольцевого сечения при температуре от - 50С до + 150С
Наиболее полно специфика работы внецентренно-сжатых элементов кольцевого сечения при постоянной продольной силе учтена в работе /104/ Для проведения экспериментальных исследований авторами разработан специальный стенд,позволяющий проводить испытания внецентренно-сжатых элементов кольцевого сечения ери постоянной продольной силе и переменном изгибающем моменте. Сравнение экспериментальных данных, полученных при различных методах испытаний железобетонных цилиндров,изготовленных из керамэитобетона, показало, что деформированное состояние испытуемого образца существенно зависит от методики испытания. Различие в опытных данных ширины раскрытия трещин и деформаций сжатой и растянутой зон, при испытании цилиндров по разным методикам, достигало 50%.
К недостаткам экспериментальной установки следует отнести отсутствие устройства для создания длительнодействующей сжимающей силы,имитирующей собственный вес сооружения горизонтальное расположение цилиндра при испытании, что затрудняет его равномерный нагрев до периметру сечения, особенно при большом диаметре цилиндра.
Из других экспериментальных исследований следует отметить /о работы И.й. Шахова /100/ и исследования нижней части ствола дымовой трубы, проведенные в донецком ПромстройНИИпроекте /23/.
Анализ экспериментальных исследований цилиндров ігри одностороннем нагреве показывает, что на напряженно-деформированное состояние нормальных сечений кольцевых элементов в стадии образования трещин и при разрушении существенное влияние оказывают температурные усилия.
Определению температурных усилий и оценке их влияния на прочность и трещиностойкость нормальных и продольных сечоний инженерных сооружений посвящены работы /46, 48, 57, 61, 63, 65, 86, 87/.
При испытаниях железобетонных элементов кольцевого сечения невозможно опытным путем определить величину температурных усилий, возникающих в сечениях образца. Поэтому температурные усилия изучались, как правило, на балках,моделирующих работу этих сечений.
Опытами установлено, что на величину температурных моментов в статически неопределимых элементах оказывают влияние;: величина температурного перепада между более и менее нагретой гранью, температура и продолжительность нагрева, процент армирования, наличие сжимающих или растягивающих напряжений в сечении и их изменение при эксплуатации, а также вид и состав бетона.
В большинстве работ /57, 61, 63, 65, 87/ исследоиания проводились на образцах, выполненных из жаростойкого бетона при высоких и в меньшей степени при повышенных температурах.
Обширные исследования температурных усилий на образцах, выполненных из тяжелого бетона, проведены в Макеевском инженерно-строительном институте под руководством А.П. Кричевского /46, 48, 80/.
Экспериментальные исследования проводились на симметрично армированных балках сечением 25 х 12 см, выполненных из бетона М 400, рекомендованного для дымовых труб. Балки опирались на две опоры и имели консольные свесы по концам. При испытаниях нижняя грань балок в пролете нагревалась до 150С, а их продольная ось удерживалась в прямолинейном состоянии путем приложения поперечных сил к консолям. Перед нагревом балки нагружались продольной сжимающей силой до уровня 0,3 от разрушающей нагрузки., а затем подвергались нагреву и длительной изотермической выде]шсе. Испытание балок до разрушения проводилось как в нагретом со стоянии, так и при остывании. Односторонний нагрев балок проводился в сочетании с действием со стороны менее нагретой зоны отрицательной температуры. Экспериментальными исследованиями установлено: 1) при кратковременном одностороннем нагреве в сечениях балок возникает наибольший температурный момент; 2) при длительном нагреве температурный момент снижается; 3) при остывании до нормальной температуры температурный момент меняет знак; 4) при повторном нагреве и последующем замораживгшии менее нагретой грани температурный момент увеличивается. Методика расчетного определения температурных усилий, удобная для выполнения расчетов без применения ЭВМ, разрабатывалась А.Ф. Миловановым, В.Н. Самойленко, B.C. Зыряновым и развита А.П. Кричевским /46/ для случая действия отрицательной температуры. В общем виде формула, выражающая зависимость температурных моментов от перепада температуры по сечению элемента, принята по рекомендации Инструкции СН-482-76 /42/.
Модуль упругости, коэффициент упругости, предельная сжимаемость и диаграмма (э - д, бетона
При проведении экспериментальных исследований одним из наиболее важных является вопрос правильного выбора статической схемы испытания. В нормальных сечениях ряда инженерных сооружений, имеющих в плане кольцевое сечение (дымовые трубы., телевизионные башни, опоры ЛЭП, связи и др.), действуют постоянные и длительные продольные сжимающие силы от собственного веса сооружения и оборудования и кратковременный изгибающий момент, вызванный ветровой нагрузкой. Температурным воздействиям эти сооружения подвергаются как правило, после начала действия нагрузки от собственного веса.
При испытании цилиндров принята аналогичная последовательность воздействия нагрузки и температуры.
Цилиндры загружались постоянной осевой сжимающей силой, а затем подвергались воздействию температуры и доводились до разрушения внешним изгибающим моментом, продольная сила оставалась постоянной.
Для испытания цилиндров с отношением 1 - 0,3 была раз-работала специальная экспериментальная установка (рис. 2.5). Главными частями установки являются: основная и дополнительная силовые рамы, нагружающий блок, шарнирно-цилиндрические опоры.
Основная силовая рама состоит из четырех горизонтально-рас Вид сбоку 7 4 Рис. 2.5 Схема установки для экспериментальных исследований внецентренно сжатых элементов кольцевого сечения с отношением 4= 0,3. I- испытуемый цилиндр; 2- тяги; 3,4,5,9-траверсы; 6-заклинивающие гайки; 7- предохранительные гайки; 8,14,15- шарниры; 10—II— дополнительные рамки; 12- тяж; 13- консоли; 16- подставка; 17- морозильная камера; 18- ТЭН. гидравлическом прессе ПГ-ЮОО. Схема испытаний была принята такой же, как для цилиндров первого типа, но отличалась способом приложения внешнего момента. Продольная сжимащая сила создавалась прессом, а изгибающий момент за счет смещения цилиндра относительно оси верхнего и нижнего шаровых шарниров пресса горизонтальными домкратами ДГ-2 (рис. 2.6).
В процессе испытаний производилось измерение распределения температуры бетона по высоте сечения стенки кольца, прогибов, деформаций арматуры и бетона, поперечных деформаций бетона сжатой зоны, ширины раскрытия трещин и расстояния между ними. Температура нагрева арматуры и бетона измерялась переносным потенциометром постоянного тока типа ШІ-І с помощью хромелькопелевых термопар, помещенных в отверстия, высверленные в цилиндрах после бетонирования. Измерение перемещений (прогибов) производилось в 5 точках (рис. 2.7) по длине цилиндра прогибометрами б ПАО с ценой деления 0,01 мм. Средние деформации бетона в исследуемой зоне замерялись на базе 100 см с помощью прогибомеров 6 ПАО (рис. 2.7, 2.8). Для учета температурного расширения и деформаций ползучести прогибомерной проволоки на цилиндр устанавливались компенсационные приборы (рис. 2.7, 2.9), что позволяло определять удлинение проволоки.
Для измерения деформаций при отрицательных температурах использовались так же специально изготовленные приборы с индукционными датчиками перемещения (рис. 2.10).
Распределение деформаций бетона и арматуры по высоте сечения измерялось электротензодатчиками сопротивления на базе соответственно 50 мм и 20 мм, в комплекте с прибором ИДИ, (измеритель деформаций цифровой) и быстродействующим измерительным комплексом К-732/І, обеспечивающим снятие информации со 127 датчиков за 8 сек. -положенных тяг 2 и двух неподвижно соединенных с ними траверс 3, 6. Нагружающий блок составляют две подвижные плиты 4,5, которые могут перемещаться по тягам 2, как по направляющи». Между плитами расположено девять пружин мощностью 200 кН казздая. Кроме этого на тягах 2 имеются заклинивающие гайки б, фиксирующие положение подвижной плиты 4, и предохранительные гайки 7.
Шарнирно-цилиндрические опоры жестко крепятся к плитам 4 и 9, допуская поворот цилиндра только в одном направлении. Дополнительная силовая рама состоит из двух пространственных рамок 10, XI, соединенных между собой тяжем 12.
Продольная осевая сила в цилиндре создавалась гидравлическим домкратом ДТ-І, установленным между траверсой 3 и подвижной плитой 5. После загружения образца положение подвижной плиты 5 фиксировалось гайками 6 и нагрузка поддерживалась при помощи пружин. Величина нагрузки контролировалась по манометру в домкрате. С целью компенсации потерь усилия в образцах, вызываемых релаксацией напряжений в пружинах, развитием неупругиэ: деформаций в тягах и самом образце, два раза в сутки осущестішялся контроль за величиной нагрузки и при необходимости образец догружался. Для создания изгибающего момента дополнительная силовая рама устанавливалась на консоли 13, жестко соединенные) с образцом I. Усиление в раме создавалось гидравлическим дошсратом ДГ-2 и передавалось на консоли через ножевой 14 и шаровой 15 шарниры. Продольная сила М в образце определялась как сумма продольных сил N и NL , вызываемых в образце домкратами ДТ-І и ДГ-2.
Ширина раскрытия трещин во внецентренно-сжатых элементах кольцевого сечения
Длительный нагрев ненагруженного бетона привел к увеличению предельной сжимаемости в 1,3 раза при 60С, в 1,54 раза при 120С и в 1,65 раза при 200С. Предварительное нагружение бетона от 0,2 до 0,5 Rnp привело к снижению величины предельной сжимаемости (рис. 3.4).
Аналогичные данные по влиянию предварительного нагружения бетона в молодом возрасте на величину коэффициента ущэугости и предельную сжимаемость бетона при нормальной температуре получены в работе /90/.
Наиболее полно работу бетона под нагрузкой характеризует диаграмма (?- , включающая нисходящую ветвь. На характер диаграммы оказывает влияние температура и продолжительнооть нагрева, а также уровень предварительного нагружения бетона.
У призм, испытанных при нормальных условиях,диаграмма (Г- на всем протяжении имела криволинейный характер с выпуклостью в сторону оси напряжений (рис. 3.5). Начальный участок нисходящей ветви оказался симметричным конечному восходящей ветви относительно оси = ,0 (рис. 3.5).
У призм, испытанных после кратковременного нагрева до 60, 120 и 200С, диаграмма б -& по своему характеру повторяла диаграмму призм,испытанных при нормальных условиях, но имела другие параметры: модуль упругости, призменную прочность, предельную сжимаемость (рис. 3.5а).
Диаграмма 6 - Ъ У призм, испытанных после длительного нагрева при 60, 120 и 200С,имела более пологий участок нисходящей ветви по сравнению с испытанными при нормальных условиях и после кратковременного нагрева (рис. 3.56). Нагрев предварительно нагруженных призм существенно изменил характер их диаграмм 6-і, Начальные участки диаграммы
Диаграмма б- бетона при действии повышенной температуры на ненагруженные образцы а) кратковременный нагрев; б) длительный нагрев - 83 -деформаций, При этом у призм, испытанных после длительного нагрева, выпуклость начального участка диаграммы в сторону оси деформаций была более заметной, чем у испытанных после кратковременного нагрева. Нисходящая ветвь диаграммы была более крутой, чем у призм предварительно ненагруженных, что свидетельствует об "охруп-чивании" структуры бетона за время выдержки под нагрузкой.
На рис. 3.6 приведена диаграмма -& для бетона, нагревавшегося при напряжении 6% = 0,4 Rnp . При других уроЕНях начальных напряжений в бетоне, характер диаграммы оставался таким же. Изменялись только параметры диаграммы: Rqp,E$t, Ь0 , і) , подробно описанные выше.
На величину структурных характеристик существенное влияние оказывает температура, продолжительность нагрева и уровень предварительного нагружения бетона (рис. 3.7).
При кратковременном нагреве до 120С ненагруженных призм величина RT уменьшилась в 3,3 раза, a R.T - в 1,38 раза и составили соответственно 0,15 К„. и 0,65 Кпр . При 60С величина структурных характеристик Кт и RT уменьшилась соответст-венно в два и в 1,2 раза. При 200С величины 1т и 1\т также были меньше, чем при нормальной температуре и несколько выше, чем при 120С (рис. 3.7).
Влияние уровня предварительного нагружения бетона на структурные характеристики при кратковременном нагреве до 60, 120 и 200С оказалось неодинаковым. При температурах нагрева до 60, 120 и 200С наибольшие значения fcT и 1Т оказались соответственно при уровнях предварительного нагружения 0,4, 0,3 и 0,2 L,, т.е. каждой температуре соответствует вполне определенный уровень предварительных напряжений, при котором структурные характерне О 50 100 150 200 grlQs 0 50 100 150 200 250 6j IO Рис.3.6. Диаграмма(э-6 бетона, нагруженного перед нагревом до уровня напряжения 0,4 Rn а) . при кратковременном нагреве б) при длительном нагреве
После длительного нагрева бетона при температурах 60 и 120С его структурные характеристики существенно возросли, R_ увеличилось в 1,4 - 1,8 раза, а Кт на 10-12$ по сравнению с кратковременным нагревом (рис. 3.76), при температуре 200С их рост составил лишь 1-3%.
Приведенные экспериментальные данные свидетельствуют о том, что уже при кратковременном нагреве в бетоне возникаю?? структурные напряжения, с нарушением микроструктуры цементного камня и его контактного слоя с заполнителем, что и привело к снижению структурных характеристик.
За время длительного нагрева происходит стабилизация прочностных и деформативных свойств цементного камня, перераспределение структурных напряжений на контакте цементного камня с заполнителем, выравнивается влажность бетона по сечению. Скорость протекания этих процессов зависит от температуры нагрева и увеличивается с ее ростом. Этим может быть объяснен тот факт, что при температуре 200С структурные характеристики за время нагрева мало изменились.
Влияние предварительного нагружения бетона на его структурные характеристики связано, по-видимому, с уплотнением бетона, сопровождающееся более интенсивным появлением новых кристаллообразований и ползучестью цементного камня. Рост структурных характеристик наблюдается только при тех уровнях предварительного нагружения, которые при нагреве не вызывают дополнительных нарушений структуры бетона.
